小车设计 - 图文(3)

开始系统初始化起始区出发游完所有景点NY灰度检测左拐弯右拐弯N左转完成Y右转完成直线循迹NYN红外检测Y举起手臂减速行驶N碰撞开关检测Y播报语音反向行驶放下手臂安全到家结束

图3.2 软件设计流程

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基于STM32的智能小车的设计

第4章 系统硬件设计

要迅速反应、精确计算高效率的完成复杂功能，就需要一个运作稳定良好的硬件环境。硬件系统牢固的架构与良好的信息传导性能，将会极大地提高整个系统的信息传递速率与系统稳定性。本次设计的智能小车硬件模块主要包括控制器模块、传感器模块、电机驱动模块、舵机模块、语音模块和电源模块。

4.1 控制器模块

传感器检测到的信号传递给控制器，由控制器处理，根据事先写好的决策，然后产生相应的信号返回到电机驱动，电机驱动控制电机的转速、转向，从而实现对小车的控制。所以，控制器就好比一个人的大脑，在整个控制过程中起着举足轻重的作用。 4.1.1 STM32F103ZET6芯片介绍

STM32F103ZET6单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

(1)微处理器

该单片机是基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器，Cortex-M3采用ARM V7构架，不仅支持Thumb-2指令集，而且拥有很多的新特新。较之ARM7 TDMI，Cortex-M3拥有更强劲的性能、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等众多优势。

(2)存储器

程序存储器、数据存储器、寄存器和输入输出端口被组织在同一个4GB的线性地址空间内，数据字节以小端格式存放在存储器中。可访问的存储器空间被分为8个主要块，每个块均为512MB。STM32F103ZET6内置64K字节的静态SRAM，高达512K字节闪存存储器结构。并且还带有有外部总线(FSMC)可用来扩展SRAM和连接LCD等。

(3)中断系统

STM32F103ZET6支持19个外部中断。分别是中断线0-15对应外部IO口的输入中断，中断线16为PVD输出中断，中断17为RTC闹钟事件，中断18为USB唤醒事件。

(4)定时器/计数器

STM32F103ZET6有2个基本定时器TIME6、TIME7，4个通用定时器TIME2、TIME3、TIME4、TIME5，2个高级定时器TIME1、TIME8，共8个16位定时器。

(5)PA口、PB口、PC口、PD口、PE口、PF口、PG口为7个并行16位I/O口。

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(6)其它资源

STM32F103ZET6有5个串口、3个SPI、2个IIC、1个USB、3个12位DAC，1个FSMC接口及112个通用IO口。

由上可见，STM32F103ZET6单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。

4.1.2 STM32最小系统板

本设计采用STM32F103ZET6芯片最小系统板作为主控制器，实物如图4.1所示：

图4.1 STM32最小系统板

该最小系统板大小为11cm×8cm，所有I/O口均用丝印标注，DC电源已引出，通过该电源口给最小系统板供电。

板载资源如图4.1所示，主要介绍一下几种常用资源： ①3.3V供电口：用于核心板给外部模块提供3.3V电源； ②5V供电口：用于核心板给外部模块提供5V电源； ③JTAG接口：用于板子的JTAG仿真和下载；

④启动方式选择跳线： 即BOOT0和BOOT1跳线，跳线接R12一侧为低，接R13一侧为高，使用一键下载功能时须将BOOT0和BOOT都接低；

⑤CR1220电池座：用于安装CR1220型号的纽扣电池来给芯片的RTC供电。

4.2 传感器模块

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在本次设计中，用到的传感器有灰度传感器、红外传感器、碰撞开关，它使小车在行驶过程中进行检测，实时返回给控制系统信号，然后控制系统经过处理，产生相应的控制信号到执行部件，从而执行相应的动作。

一般来说，传感器的返回值为电压值，是模拟量，而我们使用的可编程器件只能识别数字量，即“0”和“1”。大多数控制器将2.5V以上的电压认为是高电平“1”，

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基于STM32的智能小车的设计

将1.5V以下的电压认为是低电平“0”，而在1.5V~2.5V之间的电压是处在不稳定状态，可能检测为高电平，也可能检测为低电平，这是我们应该避免的，所以我们在传感器的输出端再接上电压比较器，使其最终输出只有高电平“1”或者低电平“0”，这样就有效的避免了误检测现象。 4.2.1 灰度传感器

(1)工作原理

灰度传感器是一种模拟传感器，它的主要元件就是一个发光二极管、一个光敏三极管，将它们安装在同一面上。灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏三极管特性对是检测到不同强度的光，其阻值也不同，根据这个原理进行颜色深浅检测。发光二极管发出白光或蓝光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏三极管检测此光线的强度并将其转换为电压信号。

(2)电路图

灰度传感器主要是由发光二极管、光敏三极管以及若干电阻组成，R2、R3是限流电阻，保证发光二极管工作在正常电流范围内，防止电流过大烧坏二极管；电位器R1是防止VCC电压直接加在光敏三极管ce之间导致击穿，用来调节高低电平的电压差，压差越大，单片机识别出错率就会降低。

采用的电路图如图4.2所示：

图4.2 灰度传感器电路图

(3)测量数据

5V供电时，检测高度为1~3cm，打在绿地毯上高电平可调到3V以上，打在白线上低电平可调到1V以下。经过各种颜色的发光二极管实验，对比之下，蓝色发光二极管高低电平压差最大，压差都在3.5V左右，效果最好。

(4)注意事项

①根据它的工作原理，是光敏探头根据检测面反射回来的光线强度，来确定其检测面的颜色深浅，因此测量的准确性和传感器到检测面的距离是有直接关系的。在机

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器人运动时机体的震荡同样会影响其测量精度。

②外界光线的强弱对其影响非常大，会直接影响到检测效果，在对具体项目检测时注意包装传感器，避免外界光的干扰。

③检测面的材质不同也会引起其返回值的差异。 4.2.2 红外避障传感器

(1)工作原理

红外避障传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用红外发射管发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到红外接收管后接收信号，然后记录接收发射与接收的时间差的数据，经信号处理器处理后计算出物体的距离。

(2)E18-D80NK简介

E18-D80NK是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同；白色物体最远，黑色物体最近）。

检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。

本设计由于不需要距离的具体数值，只需要有一个临界距离，在这个距离范围内检测到是一个电平值，在这个距离范围以外检测到的是另一个电平值，这样也方便主控制器处理数据。E18-D80NK红外避障传感器完全符合上述要求，此外，该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，所以被设计选择E18-D80NK红外避障传感器来实现智能小车对障碍物和景点的检测。

图4.3 传感器内部原理图

① 电气特性

图4.4为E18-D80NK红外避障传感器的实物图。

图4.4 E18-D80NK红外避障传感器

a. 传感器外部接线，分别为红色：VCC；黑色：GND；黄色：OUT；

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